涡轮流量计测试技术中几个常见问题的探讨
一、引言：
与其它型式的流量计一样,涡轮流量计(以下简称涡轮)在应用中问题比较复杂。这种复杂性在于:被测介质处于连续运动状态,由很多参数决定的介质运动特性对流量示值的准确度影响很大;其次各种被测介质的粘一温关系不尽相同。而涡轮对被测介质的运动特性和粘度变化是非常敏感的,因此在工程测试中要想获得很高的测量精度并不容易。首先要从根本上解决涡轮的现场校验及度评定,同时在使用中还要建立与被测介质的理化性能相一致的内在联系,才能提高流量的测量精度。
二、背压变化的影响：
用计量油箱(即工作容器)测量流量计是一种古老而又经典的方法。目前,在航空液压工厂的一些传统设备上,通常采用计量油箱与涡轮并存的测量方式。当对涡轮的测量结果表示怀疑时,就用计量油箱进行比对测试,以便尽快找出故障所在。
在液压试验设备上,用计量油箱测量流量的方法称为动态容积法。工厂还用这种装置对涡轮进行现场校验。其系统图示于图1。
图1中,计量油箱做成多级组合形式,液位指示器安装在它的细颈部位,使容积测量误差减小(D/动“倍(D和d分别为计量油箱的主体部位和细颈部位的内径)。上下两个液位指示器间的容积V()L为定值,测出油液的上升时间大即可按公式Q二60V/T(L/min)计算出实测流量值。为便于排气,油液一般从计量油箱底部注人,这时流量示值将受到手动测量阀开启和背压(反压)变化的影响。
对于断面I一I和n一11,如果不计能量损失,则可列出如下伯努利方程式:
式中lC、Q—与产、今51和S:有关的系数当手动测量阀打开后,油液流入计量油箱,压力lP略有下降,油箱压力乃维持在某一恒定值不变:随着油液在计量油箱内不断上升,H值逐渐增大(即背压增加),流量lQ的示值稍有减小。经在试验现场多次实践,Ql的读数一般减小0.1一0.ZL/min左右,造成的相对误差在0.5%一0.3%之间。另外,计量油箱内外的温度和压力并不一样,油温在试验中是不断变化的,至使计量油箱产生较大的变形,这种变形无任何规律可循,也无法通过计算方法对容积误差进行补偿。在用计量油箱作为涡轮的校验装置时,上述诸因素对校验精度的影响便不能忽视。至于如何避免这些影响,必须从改进计量油箱的结构人手才行。
三、使用与校验温度或粘度不同：
图2给出了某一涡轮在30℃和90℃油温下校验得到的Q与f之间的关系曲线,分别用实线和虚线表示,工作介质为10号航空液压油。
由图2可见,涡轮对于油温和粘度的变化是很敏感的,这种敏感性具体体现在涡轮流量系数的变化。同一台涡轮在不同粘度的油液中使用有不同的流量系数:对于同一油液,使用温度不同,流量系数也不相同;即使在同一油液同样油温下使用,在其量程内的不同流量测量段流量系数也有较大的差异。比较图2中实线和虚线的斜率大小即可看出:同一台涡轮用于较高油温即粘度较小时,流量系数较大;用于较低油温即粘度较大时,流量系数较小。同时其线性区域(量程范围)随油液粘度的增大而缩小。
总之,同一台涡轮的流量系数并不是一个常数,它是与油温或油液粘度息息相关的。因此,仅用常温水校验得到的流量系数,直接用于油液的流量测量是不妥当的,测量的结果也不真实:对于同一种油液,在常温下校验获得的流量系数,用于高温流量测量所得的测量结果同样是不可信赖的。
在涡轮的实际应用中应当注意:对于不同油液,使用与校验油液的粘度应基本接近;对于同一油液,使用与校验油温不能相差悬殊。这样才能使流量的测量精度得到保证,实测数据也比较准确,才能为液压产品的设计、定型和改进提供可靠的科学依据。
四、系统压力的影响：
在液压试验系统中,涡轮一般安装在系统的低压部位,压力对油液粘度的影响较小,通常忽略不计。随着液压工业的发展,人们对流量的测量提出了更高的要求,比如要求将涡轮安装在液压泵的出口处(高压部位)来测量出口流量。泵的出口压力较高,油液枯度随压力升高而增大,这时压力对油液粘度的影响就不可忽略。
油液粘度与压力之间的关系可用下列近似公式来表示:岁尸=岁。eap(4)式中协—压力为P时的运动粘度,。—压力为l个大气压时的运动速度a—粘压系数对式(4)取对数可得粘一压系数a：
液压油的压力每增加3OMPa,粘度大约增加一倍,即P=30MPa,。,代人上式得0.0023。在20一200℃温度范围内,10号航空液压油的粘一温关系使用下列经验公式:F。=(5)代人式(4)可得温度为l(℃)、压力为(MPa)时10号航空液压油的运动粘度夕的表达式:,=)teo加23p(6)当油温t=90℃时,在1个大气压下由式(5)求得。。=5.55CSt。系统压力为18MPa(即180kgf/emZ)时,由式(6)算出。=5.4est,油液粘度增加一了1.5倍。由上面的计算可知,随着压力的升高,油液粘度增加的幅度较大。当压力升高油液粘度增大、时,涡轮的流量系数减小,在使用中引起的测量误差将是不可避免的。因此,涡轮在高压力使用情况下,应当考虑压力对油液粘度即对流量测量精度的影响。
五、建立标准流量装置：
在航空液压工业中,流量是液压元件的重要参数之一。在试验中有时仅差0.IL/min,就能决定产品是否合格。如果在外场能准确地测量某些产品的回油量,则将大大减少产品的返厂维修率。因此,流量的测量与工厂的经济效益密切相关。要想解决这些问题,应当建立能模拟使用条件对涡轮进行校验的标准流量装置,这是提高流量测量精度的根本途径。
这种标准流量装置必需具备功能:(1)为保证流量稳定,系统压力脉动应尽可能地小,应有较大的流量调节范围,以与不同1L径的涡轮兼容。(2)具有压力调节功能,能模拟使用压力对涡轮进行校验;(3)设置加温和温控装置,可在不同油温F校验涡轮;(4)对校验数据能自动采集、实时处理和打印记录。
工作容器是标准流量装置的核心部件。图3给出的一作容器是raMMepMaHM.只.和K朋”:蚁C.C.等人提出的,下面简介其工作原理。
油液进入测量容器1中,首先将与量室2之间的环形腔充满,然后沿内壁溢人量室2中。为减小容积测量误差,在量室2中安装了两块垂直于量室中心线的正多边形挤压器3,其上装有两只液位敏感元件4和5,给出液位指示信号,由计时器5测出油液在量室2中的上升时间。在这种工作容器中,涡轮承受的背压是一定的,不存在背压变化对流量示值的影响。量室2的内外壁都浸在油液中,内外壁的油温和压力基本一致,因此量室的容积变形很小。这种工作容器结构简单,实现起来也比较容易。
六、结束语：
限于条件和水平,本文就涡轮的使用情况,仅定性地分析了背压变化、使用与校验油温或粘度不同及系统压力对流量计测精度的影响。由于航空液压元件大多工作干高温高压状态,对流量的测量精度要求较高,这就造成了涡轮在应用中问题的复杂性。使用与校验油液的粘度比较接近或使用与校验油温不能相差悬殊,这两点在涡轮使用中应当引起足够的重视。另外,还提出了建立一种能模拟使用条件对涡轮进行校验的标准流量装置,这是提高流量测量精度、保证生产过程正常进行的必要条件。